JPS58197774A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシリコン半導体装置、特に絶縁ゲート型電界効
果トランジスタおよび該トランジスタを用いた集積回路
の製造方法に関するものである。

集積回路等番こ使用される絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタの動作速度の向上や低消費電力化のために微細化
が行われている。絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
微細化の設計指針としていわゆる比例縮小則が知られて
いる。比例縮小則の考え方によると、第１図に示した様
な断面構造を有する通常の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタのチャネル長りが１μｍ以下、例えば、０．５μ
ｍａ１度にまで微細化された場合には、ソースおよびド
レイン不純物層１０６　、１０６’の厚さくｍ合深さ）
ｘＪは、少くとも０．１〜０，２μｍ程度という極めて
小さな値にする必要がある。しかし、この様に極めて浅
い不純物層の層抵抗値は、不純物のイオン注入と熱アニ
ールとの組合せによる従来の製造方法では、切〜１００
Ω／口　という大きな値になってしまう。すると、ソー
スやドレイン層１０６　、１０６’での直列抵抗が電界
効果トランジスタのナヤネル抵抗に比して無視できなく
なりトランジスタの動作特性を低下させるだけでなく、
集積回路の内部配聴としてその様な浅い不純物層を用い
ることもできなくなるという間亀が生じる。これらの問
題を解決する方法として、ソース、ドレイン領域に自己
整合的に白金勢の貴金属硅化物層を形成した第２図の様
な構造が報告されている。しかし、この様な構造では、
ソース、ニドレイン領域２０６　、２０６’領域上に形
成した貴金属硅化物層２０７　、２０７’　！ｔ、高濃
度にドープしたソース、ドレイン領域２０６　、２０６
’上に貴金属薄膜を蒸着した後熱処理を行うことにより
硅化物化したものである。白金やパラジウムの様な貴金
属は、低温でシリコンと割合再現性良く反応し容易に硅
化物を形成できるので上記方法が実行可能となる。しか
し、その様な貴金属硅化物は、ソースやドレイン領域２
０６　、２０６’に接触する配ｌｉｔ　２０９として通
常使用されているアルミニウムを用いた場合にはアルミ
ニウムと貴金属硅化物とが３５０上程度の低温で容易に
反応し、従ってアルミニウムとシリコン基板との反応を
引起し接合のリークや破壊が生じるという問題がある。

さらに、貴金属の硅化物は、８００上程度以上の熱処理
によって凝集し、抵抗値の激増や著しい表向荒れを引起
すので、高偏熱処理を行うことかできない。

従って、通常リンガラス流動化と舊われる層間絶縁膜に
用いるガラス層の平滑化のための高温熱処理を行えない
という問題も生じる。貴金属硅化物を用いることによる
これらの問題点を解決するためには、融点が烏くて耐熱
性があるモリブデン、タングステン、タンタル、チタン
等の１ｗ、融点金属の硅化物を用いれば良い。しかし、
これらの高融点金属とシリコンとを単なる熱処理によっ
て反応させて硅化物を形成する方法は、高融点金属中や
シリコン表面層の酸素等によって反応が著しく影響され
極めて再現性が悪い上、第３図に示した如く、モリブデ
ン等ではたとえ反応してもシリコン３０１との接触部３
０４の外、即ち、絶縁層３０２上の領域３０５　、３０
５’にまで硅化物形成が進行する（開口外へはみ出した
硅化物層が形成される）ことや反応によって生じた硅化
物層３０６の表面や界面の平担性、平滑性が著しく悪く
かつピンホール等の欠陥も多いこと等の理由により適用
することができない。また、第２図に示した前記従来の
貴金属硅化物を用いた構造においては、ソース、ドレイ
ン領域の貴金属硅化物層２０７　、２０７’とゲート電
極２０４との接触を防ぐため、プリズム形の１ＩＩＴ閤
を持つ酸化シリコン層２０８　、２０８’をゲート電極
２０５の側面部に形成しているが、この様な形状の構造
の形成は制御性が良くないという問題も予想される。

本発明の目的は、上記従来方法における問題点を解決し
た新規な絶縁ゲート型電界効果トフンジスタおよび蚊ト
ランジスタを用いた集積回路の製造方法を提供すること
である。本発明による絶縁ゲート璽電界効果トランジス
タおよび腋トランジスタを用いた集積回路の製造方法は
、シリコン結晶表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜上に第１の導電材料よりなるゲート電極
を形成する工程と、該ゲート電極の少くとも側面に第２
の導電材料よりなる薄膜を化学蒸着法またはメッキ法に
より選択的に堆積する工程と、該第２の導電材料よりな
る薄膜をマスクとしてゲート絶縁膜の露出部をエツチン
グ除去することによりシリコン表面を露出させる工程と
、第１の導電材料とは異なる種類の高融点金属薄膜を少
くとも前記露出させたシリコン表面に堆積する工程と、
イオン注入を行うことにより該高融点金属薄膜とシリコ
ンとの界面を混合させた後、４００℃〜６００℃の温度
範囲で熱処理を行うことにより界面の混合を行った領域
のみの高融点金属をシリコンと反応させて平担で平滑心
高融点金属硅化物に変換する工程と、鋏工程において高
融点金属硅化物に変換されなかった領域の高融点金属薄
膜を選択的に工ッチング除去する工程、骸工程の後８０
０℃以上の温度で、しかも非還元性雰囲気中で熱処理す
る工程、とを含むことを特徴とするものである。

本発明による方法は、本発＃ＪＡ：Ｉｉらが見出した次
の様なｌｌｒ嵐な事実に基づいたものである。第４図（
ａ）の如く、シリコン基板４０１上に開口４０３を鳴す
る酸化シリコン展４０２を形成した後、高融点並属膜４
０４とシリコン４０１との界面をイオン注入４０５によ
り混合させることによって界面に少くともシリコンと高
融点金属よりなる混合層を形成し、さらにその後４００
〜６００℃程度の低温熱処理を行うと１１４＠１（ｂ）
の如り、開口部のみに極めて平担かつ平滑でピンホール
やはがれのない高品質な高一点金属シリサイド４０６を
形成し得ることを見出した。

その１例を第５図に示す。この図は比抵抗が数Ω・傷の
ｐｍシリコン基板の開口部に形成されたモリブデン硅化
物の表面の光学−黴鏡写真を示したものである。領域５
０１は本発明の方法に従って１８０ｋｅＶの砒素イオン
を４００Ａのモリブデン膜を通して５　ＸＩＱ”ｃｓ＋
　”だけイオン注入を行った後に熱処理によって硅化物
化した領域であり、領域５０２はイオン注入せずに熱！
６通した領域である。領域５０１では表面が極めて平滑
であるのに対し、領域５０２での表面荒れが極めて著し
いことが明らかである。

さらに領域５０１ではモリブデン硅化物の形成は開口ｌ
ｌｋのみ限定されており開口外へはみ出した硅化物の形
成は生じていないが、従来方法によって形成した領域で
は酸化膜の開口部から数μｍもはみ出した硅化物５０３
の形成が生じている。さらに本方法番こよって形成した
高融点金属硅化物は、ピンホール等の膜の欠陥も殆ど無
い一品３Ｉ［な換であるので、その上に配線用のアルミ
ニウムを［ｉ堆積して導電接触を形成し約５００℃程度
の熱処理を行ってもアルミニウムと硅化物との反応が生
じず嵐好なオーミック接触性が保たれることをも見出し
た。さらに、本発明による方法では、高一点金属硅化物
をゲート電極に対して自己整合的に形成する方法として
、少くともゲート電極の１Ｉ１面に適訳的に化学蒸着法
又はメッキ法によって形成した膜をマスクにしてゲート
絶縁層を開口する方法を採用しているので、ゲート電極
と高融点金属硅化物との間隔を０．０５〜０．２μｍと
いう小さな値でかつ極めて再現性良く形成することがで
きる。

また本発明の方法ではイオン注入を行ったあと、４００
〜６００℃という比較的低温の熱処理を行って高融点金
属硅化物を自己整合で形成し、次に未反応の高融点金属
を除去し、次に８００℃以上という高温の熱処理を非還
元性雰囲気中で行う。

最初低温の熱処理を行うのは、最初に高温で熱処理する
と硅化物が開口部からはみだして形成されてしまうから
である。従って最初低温で熱処理し、次に高温で熱処理
するという２段階の処理を行っている。また低温熱処理
後未反応高融点金属を除去するのは、この除去をしない
と自己整合で形成した高融点金属硅化物が次の高温の熱
処理で成長して開口部からはみだしてしまうからである
。

また高温熱処理を非還元性雰囲気中で行うのは、水素轡
の還元性雰囲気中で行うと、その前の工程で形成した平
滑ｌｊ硅化物層の表面に凹凸が生じて平滑性が著しく悪
化し、それにともなってピンホール等の欠陥が多数形成
され集積四路に適用できなくなるからである。

ここで非還元性雰囲気とは異体的には窒素、不活性ガス
、真空、酸素、水蒸気、フォーミングガス、あるいはこ
れらのくみあわせ等還元性をほとんど有しないものを指
す。

次に本発明による方法の実施例を図を用いて説明する。

第１の実施例では、まず第６図（ａ）の如く、周知の技
術を用いてｐｍシリコン基板６０１の一生面にフィール
ド酸化膜６０２、チャンネルストップ用ドーピング層６
０３、膜厚約２５０１のゲート酸化膜６０４、詔よびチ
ャネル長が約０．７μｍ　のモリブデン硅化物ゲート電
極６０５を形成する。この際モリブデン硅化物層は、モ
リブデン硅化物をターゲ、トとしてスバ、タリング法ｌ
こよって形成した。

次にモリブデン硅化物ゲート電極６０５をマスクとして
５０ｋｅＶの砒素イオンをｌＱ’ｂ−だけイオン注入す
ることにより第６ｍ！１（ｂ）に示した如くソースドレ
インとなるべき領域にｎ型層６０６　、６０６’を形成
する。

次に六弗化タングステンと水素ガスとを用いた化学蒸着
法によりモリブデン硅化物ゲート酸化膜５の表両及び側
面に選択的番こ厚さ約０．１５μｍのタングステン膜６
０７を堆積させる。（第６図（Ｃ））。

次に第６図（ｄ）の如く上記タングステン膜６０７をマ
スクとして方向性プラズマエツチングにより露出部のゲ
ート酸化膜をエツチングし開口６０８．６０８’を形成
する。

次に第６図（＠）の如く、スパッタリングにより厚さ約
３００λのモリブデン膜６０９を堆積した後、１５０ｋ
ｅＶの砒素イオン６１０をｓ　ｘ　１ｏ”ｘ−”だけイ
オン注入し、モリブデン膜６０９とｎ型層６０６　、６
０６’の界面を混合させる。

次に５００℃で熱処理を行うことによりシリコン表面と
接している開口部６０８　、６０８’にのみモリブデン
硅化物層６１１　、６１１’を形成し、その他の領域の
未反応モリブデン及びタングステン膜を工、チング除去
し、さらにモリブデン硅化物の抵抗を下げるため９５０
℃で窒素ガス中で熱処理することにより第６図（ｆ）の
様な構造を得る。

次に第６図（ｇ）の如く、局知の方法により酸化シリコ
ン膜を用いた層間絶縁膜６１２及びアルミニウム配線６
１３を形成することにより、ソース、ドレイン領域のほ
とんどの部分が高品質なモリブデン硅化物層で被われた
絶縁ゲート型電界効果トランジスタが製作できた。

次に第２の実施例について説明する。この実施例は、第
１の実施例における第６図（ｂ）でのイオン注入を用い
たｎ型層６０６　、６０６’の形成を省略した場合に相
当する。第１の実施例での第６図（ａ）　、　（ｅ）（
ｄ）において述べた様な方法でゲート電極より約０．１
５μｍ以上離れた領域のゲート酸化膜を自己整合的に除
去した後ゲート電極上に選択的に堆積したタングステン
膜６０７を除去することにより第７図（ａ）に示した様
にゲート酸化膜７０４がゲート電極７０５より約０．１
５μｍ外にはみ出して残還した構造’１１１’、ｌ、ｌ
＋　”Ｉｌｌ を形成する。次に第７図中）の如く厚さ約３０ＯＡのモ
リブデン膜７０６をスパッタ法で堆積した後１８０ｋｅ
Ｖの砒素イオン７０７を５　Ｘ　１０”ｔｕ　”だけイ
オン注入することによりｎｆｉ層７０８　、７０８’を
形成する。

この際砒素イオンのエネルギーとしては、モリブデン膜
７％及びゲート酸化膜７０４を貫通できるエネルギーを
選ぶ必畳がある。また、この工程でモリブデン膜７０６
とシリコン基板７０１との接触部の界面ではモリブデン
とシリコンとの混合層が形成される。次に５００℃の熱
鵡環を行うことによりモリブデン膜７０６とシリコン基
板７０１との接触部に右いて選択的に高品質なモリブデ
ン硅化物を形成した後高温アニールを行うことにより第
１の実施例における第６図（ｆ）で示したものと類似の
構造を得ることができる。その後は第１の実施例の場合
と同様の工程により層間絶縁膜やアルミニウム電極の形
成を行えばよい。

第３の実施例では、第２の実施例の場合と同様にして第
８図（ａ）の様な構造を形成する。ここに８０１はｐｍ
！シリコン基板、８０２はフィールド酸化膜、８０３は
チャンネルストップ用ドーピング層、８０４はゲート酸
化膜、８０５はモリブデン硅化物ゲート電極、８０６は
モリブデン硅化物ゲート電極の露出面に選択的に化学蒸
着されたタングステン膜である。

次に嬉８図−〉の如く、約３００ムの厚さのモリブデン
膜を堆積した後１５０　ｋ＠Ｖの砒素イオン８０Ｂを５
　Ｘ　１Ｇ’ｂ−”だけイオン注入することによりモリ
ブデン膜８０７とシリコン基板８０１との接触界面を混
合させるとともに農鳳層８０９　、８０９’を形成する
。

次に第８図（Ｃ）の如く５００℃の熱処理により高品質
なモリブデン硅化物層８１０　、８１０’を形成し、ざ
ら（未反応モリブデンとタングステン族８０６を選択的
にエツチングした後、ゲート電極８０５をマスクとして
自己整合的に砒素をイオン注入することにより高品質硅
化愉層ｇｔｏ　、　８１０’とゲート電極間のシリコン
基板表面領域にｎ１ｌｉド一ピング層８１１８１１′を
形成する。次に高温熱処理を行うことにより第２の実施
例において第６図（ｆ）で示したものと同様の構造を得
ることができるので、第１の実施例の場合と同様の工程
により層間絶縁膜及びアルミニウム電極を形成すればよ
い。

上記実施例に詔いては、いずれもゲート電極としてモリ
ブデン硅化物を用いたが、多結晶シリコンや高融点金属
、あるいは硅化物とシリコンとの２層構造からなる構造
等を用いることができるのは明らかである。また、ゲー
ト電極の側面等に選択的に形成する第２の膜の形成方法
として化学蒸着法を用いたが、メッキ等他の方法を用い
ることも有効であることも明らかである。さらに、上記
実施例（おいては、高融点金属膜とシリコンとの接触界
面を混合するためのイオン注入として、ドーパント元素
である砒素を用いたが、界面混合のみの目的には、アル
ゴンイオン、シリコンイオン等の非ドーパントイオンを
用い、ドーピングには必要量のドーパントイオンを更に
イオン注入することにより、ドーパントイオンのイオン
注入量をドーピング層形成のための会費最小限にするこ
ともできる。その様な実施態様は、極めて浅い接合の形
成が必要な場合やｐＨｉのパ）−人、ドレイン層への応
用の場合に轡に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１及び２ｗＪは、従来方法によって形成した絶縁ゲー
ト瀧電界効果トランジスタの断面略図。 １１３図は従来方法によって高融点金属膜とシリコン基
板とを反応させて高融点金属硅化物を形成した試料の断
面略図。 第４図は本発明による方法によって高融点金属膜とシリ
コンとを反応させて高融点金属硅化物を形成する方法を
説明するための試料断面略図。 菖５図は本発明による方法及び従来方法によって形成し
たモリブデン硅化物の表面光学顕微続写真Ｏ 第６〜８因は本発明による方法によって絶縁ゲート屋電
界効果トランジスタを製作する主要工程における試料断
固略図。 図中の番号はそれぞれ以下のものを示す。 １０１．２０１，３０１，４０１，６０１，７０１，８
０１・・・シリコン基板１０２、２０２．３０２，４０
２，６０２．７０２，８０２・・・フィールド酸化膜 １０３　、２０３．６０３．７０３．８０３・・・チャ
ネルストップ用ドーピング層 １０４、２０４，６０４，７０４，８０４・・・ゲート
鍛化膜１０５．２０５，６０５，７０５．８０り・・・
ゲート電極１０６、ｘｏｓ′、２０６．ｚｏｓ′、６０
６，６ｏ６′、７０＆、７ｏａ′、８０９．ｇｏ９７８
１１．８１１′−・・ソ、−ス、ドレインドーピング層
２０８．２０８’・・絶縁層、２０９，６１３・・・ア
ルミニウム配線３０３、４０４．６０９．７０６・・・
高融点金属膜２０７、２０７’・・・貴金属硅化物 ３０６、５０２・・・従来方法によって形成した高融点
金属硅化物 ４０６．５０１，６１１，６１１’、８１０，８１０’
・・高品質な高融点金属硅化物 ６０７．８０６・・・選択的に堆積した第２の金属膜ｆ
Ｊ乙１ 垢　４霞 ＋ＬＪＬｌｌｌｌＪＪｊ１−４′。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコン結晶表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、該
   ゲート絶縁膜上に第１の導電材料よりなるゲート電極を
   形成する工程と、該ケート電極の少くとも側面に第２の
   導電材料よりなる薄膜を化学蒸着法またはメッキ法によ
   り選択的に堆積する工程と、該第２の導電材料よりなる
   薄膜をマスクとして前記ゲート絶縁膜の露出部をエツチ
   ング除去することによりシリコン表面を露出させる工程
   と、第１の導電材料とは異なる種類の為融点金属薄膜を
   少くとも前記露出させたシリコン表面に堆積する工程と
   、イオン注入を行うことにより前記高融点金属薄膜とシ
   リコンとの界面を混合させた後、４００℃〜６００℃の
   温度範囲で熱処理を行うことにより、界面の混合を行っ
   た領域の為融点金属のみをシリコンと反応させて平滑な
   高融点金属硅化物に変換する工程と、咳工程において高
   融点金属硅化物に変換されなかった領域の高融点金属薄
   膜を選択的にエツチング除去する工程と、咳工程の後８
   ００℃以上の温度で、しかも非還元性雰囲気中で熱処理
   を行う工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。